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开关磁阻电机类型及其控制技术

news 来源：原创 2025/7/23 0:05:49

开关磁阻电机( Switched Reluctance Motors,SRM) 具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高，适于高速与恶劣环境运行等优点, 由其构成的传动系统( Switched Reluctance Drives, SRD) 具有交、直流传动系统所没有的优点, 为此，世界各国对SRD接受和感兴趣的程度呈逐年上升趋势, 现已形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。

众所周知, SRD 融SRM、功率变换器、控制器与位置检测器为一体, 其性能的改善不能一味地依靠优化SRM 与功率变换器设计, 而必须借助先进控制策略的手段, 从20 世纪80 年代SRM问世至今, 在SRM 控制方面已涌现出大量先进的控制思想, 并取得了有益的成果。

开关磁阻电机类型

1)磁阻电机大致可以分为以下三类：
(1)开关磁阻电机；
(2)同步磁阻电机；
(3)其他类型的电机。
开关磁阻电机的转子和定子上都有凸极。同步磁阻电机中只有转子有凸极，定子结构和异步电机定子一样。

开关磁阻电机的性能特点
SRM作为一种新型调速电机，有如下优点：
(1)调速范围宽、控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性。
(2)制造和维护方便；
(3)运转效率高。由于SRM控制灵活，易在很宽转速范围内实现高效节能控制；
(4)可四象限运行，具有较强的再生制动能力；
(5)结构简单、成本低、制造工艺简单，其转子无绕组，可工作于极高速；定子为集中绕组、嵌放容易、端部短而牢固、工作可靠，适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境；

开关磁阻电机结构及工作原理

开关磁阻电机的结构
开关磁阻电机( Switched Reluctance Motor, SRM)是一种新型电机，由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。
2)开关磁阻电机工作原理
SRM的运行遵循“磁阻最小原则”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子的某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，迫使相近的转子凸极即导磁体旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。
工作原理：当A相绕组单独供电时，通过导磁体的转子凸极在A-A’轴线上建立磁场，该磁场作用于转子，转子受到磁力作用后，就会使转子极1-1’与定子极轴线A-A’重合，即磁阻最小的位置，此时A相励磁绕组的电感最大，从而使转子转动。
若在重合时改为B相绕组通电，则此时B绕组磁场产生的磁力则迫使转子极2-2’与定子极轴线B-B’重合，从而使电机继续转动。
由此可见，如果以图中的相对位置为起始位置，依次给A-B-C-D相绕组通电，转子就会沿逆时针方向连续旋转。反之，如果依次给A-D-C-B通电，转子就会按照顺时针的方向连续转动。

开关磁阻电机运行特性

SRM的驱动系统多采用计算机控制。在电机速度小于或等于ωb (第一转折点转速）时，通常采用电流或电压斩波控制(CCC)方式，用调节相绕组中的电流大小来控制电机转矩和过电流保护控制，实现恒转矩运转。在电机速度大于ωb 并且小于或等于ωsc（第二转折点转速）时，采用角度位置控制(APC)方式，电机的转矩随转速的增加而下降，电机的功率保持不变，实现恒功率运转。在电机速度大于ωsc时，由于可控制条件都超过了极限，转矩不再随转速的一次方下降，SRM改变串励特性运行，电机转矩随转速的增加而下降。在这里插入图片描述
SRM发电／电动运行原理是SRM具有四象限运行能力，即可以实现发电／电动的双向运行。当SRM在发电状态下时，将原动机提供给电机的机械能转换为电能回馈给电源，而当其在电动状态下运行时，则将电源提供的电能转换为机械能输出。
SRM分别在发电与电动运行时，定子每相的理想电感分布与相电流之间的关系，如图所示。相电感L将以转子位置角为周期而变化。
在这里插入图片描述
在图中，如果绕组在电感上升区域θ2～θ3内通电，则产生电动转矩，SRM将电源提供的电能转化为机械能输出和绕组储能；如果在电感最大区域θ3～θ4(t1～t2)内通电，此时没有转矩产生，电源提供的电能全部转化为绕组磁场储能；当在t2～t3区域给绕组通电时，产生制动转矩，电源提供的电能以及机械能均转化为绕组的磁场储能。到了t3～t4阶段，同样产生制动转矩，此时开关磁阻电机将输入的机械能转化为电能回馈给电源。在t4～t5阶段，此时不产生转矩，SRM的绕组磁场能回馈给电源。

SRM的工作状态是由相电流相对于相电感的位置决定的，当图5-6 电感变化和发电、电动状态下的相电流图中相电流处在区间时产生负值转矩，需外加机械转矩，此过程中电机将机械能转化为电能输出，发电运行；而若相电流处在区间时，产生正的电磁转矩，电动运行；实际应用当中，（见图5-6），在发电状态下，开通角θon应设置在t0点，使得to～t3区间内，电机吸收电能，励磁建流，关断角θoff应设置在t3时刻，在t0～t5阶段时，绕组断电，则将转子的机械能和绕组磁场能回馈给电源，整个过程中的发电量的大小由这两个不同阶段中的能量的差值来决定。

在电动状态下，开通角θon应该设置在角θ2之前，关断角θoff应在θ2～θ3区间。该设置是为了在绕组电感上升区域内流过较大电流，从而尽量的增加有效电动转矩，通常在电感刚刚开始上升的临界点θ2之前使得绕组导通，以达到使绕组电流迅速建立起来的目的。同时，为了减少制动转矩，即在电感刚开始下降时，就应尽快使绕组电流衰减到0，为此关断角应设计在θ2～θ3区间内，即最大电感到达之前。主开关管关断后，绕组电流迅速下降，保证了在电感下降区内流动的电流很小，很快下降为0。综上所述，只要适当地控制SRM每相绕组导通和关断时刻，就可以使其运行状态发生改变。

1）SRM发电工作状态
工作状态是由相电流相对于相电感的位置决定的；当电感变化和发电状态下的相电流图相电流处在区间时产生负值转矩，需外加机械转矩，此电机将机械能转化为电能输出，发电运行；在发电状态下，开通角θon应设置在t0点，使得to～t3区间内，电机吸收电能，励磁建流，关断角θoff应设置在t3时刻，在t0～t5阶段，绕组断电，则将转子的机械能和绕组磁场能回馈给电源，整个过程中的发电量的大小由这两个不同阶段中的能量的差值来决定。

2）SRM电动工作状态
若相电流处在区间时，产生正的电磁转矩，电动运行。
在电动状态下，开通角θon应该设置在角θ2之前，关断角θoff应在θ2～θ3区间。为在绕组电感上升区域流过较大电流，增加有效电动转矩，通常在电感刚刚开始上升的临界点θ2之前使得绕组导通，使绕组电流迅速建立起来；
为减少制动转矩，在电感刚开始下降时，应尽快使绕组电流衰减到0，即最大电感到达之前,关断角应设计在θ2～θ3区间内，主开关管关断后，绕组电流迅速下降，保证在电感下降区内流动的电流很小，很快下降为0。

开关磁阻电机控制技术

SRM 的可控参数为定子绕组电压、开通角与关断角, SRM 的控制就是如何合理改变这些控制参数以达到运行要求，根据改变控制参数的不同方式， SRM 有3 种控制模式，即角度位置控制( Angular Position Control, APC)、电流斩波控制(Current Chopping Control, CCC) 与电压斩波控制( Voltage Chopping Control, VCC)

SRM的运行不是单纯的发电或者电动的过程，而是将两者有机结合在一起的控制过程，即它同时也包含了能量回馈的过程。这一控制系统主要特点包括：
（1)不同能量流动过程分时控制，采用相同的硬件设备实现；
（2)将发电和电动过程整合到一起；
（3)能量的回馈。
SRM控制系统的可控参数主要有开通角、关断角、相电流幅值以及相绕组的端电压，对这些参数进行单独或组合控制就会产生不同的控制方法，一般来说，常用的控制方法有角度控制法( APC)、电流斩波控制(CCC)、电压斩波控制(VCC)三种。

1）角度控制法( APC)
APC是电压保持不变，而对开通角和关断角的控制，通过对它们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。在APC控制中，如果改变开通角，而它通常处于低电感区，则可以改变电流的波形宽度、改变电流波形的峰值和有效值大小以及改变电流波形与电感波形的相对位置，这样就会对输出转矩产生很大的影响。改变关断角一般不影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化，因此关断角同样对电机的转矩产生影响，只是其影响程度没有开通角那么大。
2）电流斩波控制( CCC)
在CCC方式中，一般使电机的开通角和关断角保持不变，而主要靠控制斩波电流限值的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电机转矩和转速的目的。它的实现形式可以有以下两种：
（1)限制电流上下幅值的控制。即在一个控制周期内，给定电流最大值和最小值，使相电流与设定的上下限值进行比较，当大于设定最大值时则控制该相功率开关元件关断，而当相电流降低到设定最小值时候，功率开关管重新开通，如此反复，其斩波的波形

（2)电流上限和关断时间恒定
与上一种方法的区别是，当相电流大于电流斩波上限值时，就将功率开关元件关断一段固定的时间再开通。而重新导通的触发条件不是电流的下限而是定时，在每一个控制周期内，关断时间恒定，但电流下降多少取决于绕组电感量、电感变化率、转速等因素，因此电流下限并不一致。关断时间过长，相电流脉动大，易发生“过斩”；关断时间过短，斩波频率又会较高，功率开关元件开关损耗增大，应该根据电机运行的不同状况来选择关断时间。
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3）电压斩波控制(VCC)
这种控制方式与前两种控制方式不同，它不是实时的调整开通角和关断角，而是某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，通过调节占空比D来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值。具体方法是在固定开通角和关断角的情况下，用PWM信号来调制主开关器件相控信号，通过调节此PWM信号的占空比，以调节加在主开关管上驱动信号波形的占空比，从而改变相绕组上的平均电压，进而改变输出转矩。电压斩波控制是通过PWM的方式调节相绕组的平均电压值，间接调节和限制过大的绕组电流，适合于转速调节系统，抗负荷扰动的动态响应快。

开关磁阻电机功率变换器技术

SRM控制系统的功率变换器电路结构有许多种，其中H桥式主电路如图5-10所示，可同时实现发电／电动的功能，由于它的特殊结构，必须工作在两相同时导通的情况下，即每一工作瞬间，上、下桥臂必须有一相导通。

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功率变换器的整体设计方案

功率主电路系统采用三相380V/50Hz动力电源供电，通过三相不可控整流桥将其整流为537V直流电供直流母线使用；由于SRM在发电状态下，回馈到电源的能量输入是脉冲电能，为了得到稳定的输出电压，在输出端特意并联了两个电解电容C1、C2，用来对回馈电压起到稳定和滤波的作用，同时也作为回馈电能的储能元件，还可对整流电路的输出电压起到滤波作用。和电容并联的电阻R3，R4的作用有两个，首先是可以平衡两个电容上的电压，其次就是在整个系统关闭时使C1、C2电容放电。此外，在系统上电瞬间，为了避免由于滤波电容充电而引起的过大的浪涌电流，采用电阻－继电器并联上电保护电路。在这里插入图片描述